Die astabile BJT-Multivibratorfrequenz steigt mit der Spannung

Ich versuche, eine 27-V-120-Hz-Rechteckwelle zu erhalten, also habe ich diese Schaltung ausprobiert:

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Ich bekomme ein anständiges 128-Hz-Signal mit 9 V, was nahe genug ist. Wenn ich jedoch die Eingangsspannung über einen bestimmten Punkt hinaus erhöhe, erhöht sich auch die Frequenz. Bei 27 V ist es etwa das Doppelte, 250 Hz. Ich bekomme keine solche Steigerung in der LTspice-Simulation, also denke ich, dass es an einer realen physikalischen Einschränkung der Komponenten liegt.

Was passiert und warum? Kann/sollte ich eine solche Schaltung mit 27V betreiben oder ist das zu hoch?

Um die erwähnten in Sperrrichtung vorgespannten Basis-Emitter-Übergänge zu beheben, wenden Sie eine Sperrdiode am BE-Übergang an. Dadurch ändert sich auch die Frequenz. (Macht es aber auch weniger abhängig von den BJTs.) Man sollte auch in der Lage sein, Ihnen eine einigermaßen gut entwickelte Vorhersage aus der Theorie über die erwartete Rate zu geben, wenn Sie die Spannungen ändern (Hinweise hier) und wie Sie sie neu entwerfen können, um dies zu erreichen ungefähr die gleiche Rate, wenn die Spannung geändert wird. Aus dieser Studie können auch einige interessante Ideen hervorgehen, wie man die Rate relativ immun gegen Vcc machen kann.
Versuchen Sie, den Transistoren Zener von BE hinzuzufügen, damit die Simulation der Realität besser entspricht. Z.B. 8,2 V KDZ8_2B in LTspice, in Reihe mit 1N4148-Dioden, um eine Vorspannung in Durchlassrichtung zu vermeiden.
Bastien ... Eine Möglichkeit, die mir jetzt in den Sinn kommt, ist, dass das Aufbocken beider BJTs an einem gemeinsamen Emitterwiderstand die Abhängigkeit von Vcc definitiv verringern wird. Das Problem ist, dass die Ausgangsspannung nicht mehr den Massepegel erreicht. Es wird stattdessen auf einer großen DC-Basis fahren. Aber wenn Sie genau diese Schaltung in etwas Vcc-unabhängiges verwandeln möchten, wäre das die Richtung, in die ich gehen würde. Es ist nur ein weiterer billiger Widerstand und bewegt sich in die richtige Richtung der Vcc-Unabhängigkeit der Schwingfrequenz. Die Idee dabei ist, dass Sie an den gemeinsamen Emittern eine Konstantstromquelle wünschen.
Bastien... Bei Interesse erkläre ich es. Es löst auch das Basis-Emitter-Avalanche-Problem vollständig, ohne zusätzliche Dioden oder Zener zu benötigen. Beachten Sie jedoch, dass Sie möglicherweise eine zusätzliche Stufe benötigen, um die gewünschte Rail-to-Rail-Ausgabe zu erzielen.
Haben Sie meine vorgeschlagene Lösung mit denselben Transistoren und LEDs ausprobiert?
Nein Entschuldigung. Wie ich schon sagte, Ihre Erklärung übersteigt meine Kompetenz bei weitem. Ich verstehe kaum die Hälfte davon, hauptsächlich wegen des ganzen EE-Jargons, von dem ich nur begrenzte Kenntnisse habe.

Antworten (4)

Der Grund dafür ist, dass während der Schaltzyklen die Basis jedes NPN unter die Erde gepumpt wird. Die meisten NPN-Basis-Emitter-Übergänge brechen zusammen und verschlechtern sich bei einer Sperrspannung von 6–9 V.

LTSpice und andere Simulatoren simulieren diesen Ausfall nicht. Aus diesem Grund unterscheiden sich Simulationsergebnisse von Messungen.

Für einen 27-V-Ausgang ist es am besten, dies mit 6 V zu betreiben und dann zu verstärken, um 27 V zu erhalten. Sie können dies mit einem anderen NPN tun, das von einem der Kollektoren mit etwa 10 k angetrieben wird. Dadurch wird der Oszillator auch von variablen Belastungseffekten des 27-V-Signals isoliert.

Ihre NPNs wurden möglicherweise durch den Betrieb mit 27 V leicht beschädigt.

Sie könnten stattdessen die 47 nF durch 10 nF ersetzen und 47 nF von jeder NPN-Basis mit Masse verbinden. Dadurch wird das 27-V-Signal um etwa das 5-fache gedämpft und die NPNs „gespart“. Die Frequenz hängt nun von (47 nF + 10 nF) ab.

Danke, das werde ich versuchen. Sollte eine einfache Diode an der Basis nicht auch funktionieren? Was wäre besser?
Ein Zener oder eine LED < 5 V wäre besser, um C zu reduzieren
Eine einfache Diode funktioniert, erhält aber immer noch enorme Stromspitzen von z. B. der linken Seite Rc = 1k liefert 26 mA an die rechte Basis, die durch hFE verstärkt und über Kreuz mit der Basis auf der linken Rückwärtsdiode gekoppelt wird, wodurch> 1A verursacht wird, wodurch Rc in zwei R geteilt wird begrenzt den Spitzenstrom für einen glatten Sägezahn, wie ich in meiner Antwort gezeigt habe. Aber ja, ein "Halbbrückenverstärker" mit Wechselstrompaar würde mit einem niedrigeren Signal besser funktionieren, aber alles hängt von den Eingangspegeln der Brückenlogik und den von der Last benötigten Ausgangsströmen ab.

Sie laufen wahrscheinlich mit zu viel Sperrspannung von BASE-to-Emitter in Konflikt: (aus dem Datenblatt von ON Semiconductor

PN2222A Datenblatt

Der Basis-Emitter-Übergang sieht aus wie eine Zenerdiode, wenn Sie ihn in Sperrrichtung vorspannen. Sie sollten dies nicht tun - es kann den Transistor mit der Zeit auf subtile Weise beschädigen.
Die Schaltung sollte für niedrige Versorgungsspannungen sicher sein und eine stabile Frequenz liefern, die nicht von der Versorgungsspannung abhängig ist.

Es ist wahr, dass, wenn VCEO und VEBO von Spannungsquellen angesteuert werden, die MAX NENNWERTE einen frühen Ausfall verursachen, aber wenn der Strom begrenzt ist, wie in diesem Beispiel durch V+/Rb=Ib und Ib * ~10 % von hFE, wenn gesättigt, ist der Kollektor Strom begrenzt, so dass die Leistung in VEBO * IEBO = Pbe ebenfalls begrenzt ist und wie ein Zener mit dem Lawineneffekt wirkt. Dasselbe gilt für VCEO * Ic = Pd, sodass es als Zener etwas > 40 V mit geringer Leistung < 50 % der Nennleistung fungieren kann und in den meisten Fällen immer noch funktioniert.
@ TonyStewartEE75 Diese Basisemitter erhalten beim "Zeneren" einen ziemlich großen Stromimpuls. Sicher, es ist ein kurzer Impuls, aber die Stromdichte ist hoch (LTspice sagt, dass die maximale Impulsamplitude in der OP-Schaltung 1,5 A beträgt). Vor Langzeitschäden würde ich mich trotzdem hüten.
Ja, ich habe vergessen, das andere Rc = 1k treibt Ib dazu, sein eigenes großes -IEBO im anderen Gerät zu steuern, und nicht die Rb-Offstate-120k-Rampe. Das heißt, R1 verstärkt Ib1 in Q1, das Ic1 in -Ib2 treibt. Was war laut LTSpice der durchschnittliche Pd in ​​BE während der Spitze?

Definieren Sie zuerst Ihre wirklichen Ziele in Spezifikationen; Frequenztoleranz, Anstiegs-/Abfallzeitgrenzen, Ausgangsimpedanz oder Lastimpedanz, Kapazität. DIESER PROZESS DER AUFLISTUNG VON DESIGNSPEZIFIKATIONEN IST FÜR ALLE GROSSARTIGEN DESIGNS OBLIGATORISCH. (Auch wenn Sie sie nach dem Testen ändern, um schlechte Annahmen zu korrigieren) Dann können Sie die beste Topologie auswählen.

Die Mängel in diesem Design sind für jeden erfahrenen Designer offensichtlich und in Kommentaren und anderen Antworten gut aufgeführt. Aber das eigentliche Ziel ist es, es durch gute Spezifikationen besser zu machen, und dann durch bessere Entscheidungen. Ich werde jedoch zeigen, wie man dieses primitive Design stabilisiert und Veb und Pd max jedes Teils schützt.

Es kann mit Sperrdioden oder rückwärtsstrombegrenzten LEDs über Vbe sicher gemacht werden, aber dann steigt es mit einer kleinen Rampenspannung von -0,7 bis 0,6 V schneller an, sodass Rb möglicherweise auf < 50 % reduziert und C um das 20-fache erhöht werden muss volle Spannung zu bekommen.

Ohne die hinzugefügte Rcl-Strombegrenzung fungiert der Transistor als 1-Ohm-Schalter mit 26 V, die auf große Kappen geladen werden, und verdrängt große negative Stromspitzen schnell, aber sicher > -6 V, wenn sie groß genug ausgelegt sind.

Rb/Rc muss größer als hfE sein, um den vollen Ausschlag auf eine nicht gesättigte Vce um 1 bis 2 V zu erreichen, und C muss auf niedrigeres f erhöht werden.

Dann müssen die 1k-Widerstände aus 4 x 1k 1/4W Rs in 2S2P hergestellt werden, um ~ 670 mW abzuleiten und zu teilen.

Verwenden Sie für eine noch bessere Lösung nur mit BJTs weiße, blaue oder grüne LEDs und eine Strombegrenzung mit Rcl = 680 Ohm an den Kollektoren auf knapp über 30 mA bei gleichem 1k-Pullup-Rpu, damit der Impulsstrom sicher und auch stabiler ist. und die 1k-Verlustleistung auf 250 mW 50 % dc bei 85 °C reduzieren. (heiß)

Konzeptioneller Beweiß

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Die Power-Dioden-Version läuft wie erklärt schneller.

andere

Der Multivibrator funktioniert gut mit Vcc = 5 V und liefert einen -5-V-Basis-Sägezahn, um auf Vbe = 0,6 V hochzufahren und dann erneut zu schalten. Höhere Vcc erfordern jedoch eine geklemmte negative Vbe-Spannung, wie z. B. eine 3-V-LED oder ein 4,7-V-Zener. (umgekehrt, um negative Spannungen zu klemmen). oder sogar zwei 2V-LEDs in Reihe. Sie leuchten nicht, da die Stromgrenze Rc und das niedrige Tastverhältnis nur für ein sehr niedriges Tastverhältnis klemmen, dann steuert die RC-Rampe zu Vbe die Zykluszeit. Die Leute kommen mit höheren 9-V-Vccs davon, weil die durchschnittliche Leistung im Veb-Rückstrom-Dump < 150 mW beträgt, sodass sie zu überleben scheint, aber die Verbindung beschädigen kann, sodass sie früher als erwartet ausfällt.

Das würde zu einem Stromkreis mit sehr starker Frequenzschwankung mit der Temperatur führen – Anstieg um etwa 2m/700m = 0,3 % pro °C. Stimmen Sie den 1k zu - besser durch 10k zu ersetzen.
@ jp314 Ich glaube nicht, die BJTs schalten nur einen niedrigen Strom über Vce für <50 mW bei 200 ° C / W, ein Anstieg von < 10 ° C und Vbe wird sich nicht wesentlich ändern. Es ist sicherlich nicht so, wie ich 27V 120Hz erzeugen würde, aber was soll's. das ist nicht genug für Regierungsarbeit. Die Diodenleistung hat auch ein SEHR niedriges Tastverhältnis, sodass diese LEDs nicht einmal hell sind.
Die Leistungsdiodenversion wird nicht einmal warm, aber Sie haben Recht mit dem hohen Strom, aber sehr schnellem Abfall und langsamem Anstieg. tinyurl.com/y32mr7aj FWIW @jp314, nicht perfekt, aber dann keine wirklichen Spezifikationen, also ist es perfekt mit dem, was alles angefordert wurde.
@ jp314 glaubst du immer noch, dass es ein thermisches Problem mit f-Instabilität ist? Oder nur der ESR (?) Der Veb- oder Sperrdiode mit einem Tastverhältnis < 0,1%
Keine Selbsterhitzung, aber Änderungen der Umgebungstemperatur; dies hängt von der Anwendung und vielen anderen Variablen ab, die nicht in Q beschrieben sind.
vereinbarte Frequenztoleranzen der thermischen Drift von RC und Vbe machen dies zu einem Rookie-Design. Es ist viel besser, einen CD4060 mit einem Quarzoszillator X oder XO $ 2 2 ppm zu verwenden und auf 120 Hz herunterzuteilen, dann einen Halbbrücken-FET-Treiber-IC für jede erforderliche Vcc und niedrige Impedanz mit schnellen Anstiegs- / Abfallzeiten zu verwenden.
Ein 555 ist ein besserer Ausgangspunkt, funktioniert aber auch nicht über 15 V. Wenn die 47-nF-Kappen aus Keramik (MLCC) sind, verwenden Sie am besten 100-V- oder höher bewertete, da sich ihr Wert über den niedrigeren Spannungsbereich nicht ändert. 555 kann mit 27 V und einem Zener betrieben werden. Ein an DISCH angeschlossener MOSFET (Gate==VCC; S==DISCH, DRAIN==R bis +27V) kann an seinem Drain einen Ausgang von 0 .. 27 V liefern.
Das ist weit über meinem Kopf. Ich versuche nur, eine Weihnachts-LED-Kette zum Leuchten zu bringen, also sind meine Anforderungen ziemlich einfach und die Toleranz ist, gelinde gesagt, hoch. Aber danke trotzdem.
warum Weihnachtslichter sind 27V und kein Strom definiert und warum 120Hz, warum nicht 2kHz? Sie haben den Zweck und die Spezifikationen nicht definiert
Das ist so hartnäckig mit all dem „Spezifizieren Sie es vollständig / TBD zuerst“-Zeug, das in Richtung Evangelisation geht. Nein, vollständige Spezifikationen sind nicht obligatorisch und ein schlechter Weg, um ein Projekt voranzubringen und zu lernen. Es ist eine Mischung. Ein persönliches Projekt durchzuführen, zu experimentieren, aus Fehlern zu lernen, wie @Bastien, ist eine so wertvolle Art zu lernen und wird dringend empfohlen. Wie alles andere muss Ingenieurwesen einen Lernenden ansprechen, und sich mit langwierigem Studium und Planung langweilen, bevor es getan wird, ist nicht der richtige Weg. Ich verstehe wirklich genau, worauf Sie hinauswollen, alle Vor- und Nachteile von allem, aber es ist übertrieben.
@TonyM Wenn Sie etwas lernen möchten, ist es am besten, sich all Ihrer Annahmen bewusst zu sein. Durch das Scheitern erfahren Sie, welche Annahmen Sie übersehen haben oder falsch waren. So lernen wir, wie Dinge funktionieren und warum sie scheitern. Indem Sie dies und Ihre Erwartungen verstehen und eine Liste erstellen, lernen Sie viel schneller, insbesondere über Impedanzen und Verstärkungs- oder Dämpfungsverhältnisse und RC = T-Effekte, die hier dynamisch sind und die Spezifikationen nicht überschreiten. Das sind die Tricks, die ich gelernt habe, um innerhalb weniger Jahre ein leitender Designer zu werden.
@TonyM für alle Absolventen. Wenn Sie lernen, wie man Designspezifikationen schreibt, wissen Sie, wie Sie Ihr Design validieren, und andere können dies überprüfen, bevor Sie Zeit verlieren. Ich habe das in meinem 1. Jahr Job in der Luft- und Raumfahrt gelernt. Neulinge müssen versuchen zu lernen, wie man Spezifikationen liest und eines Tages in der Lage sein werden, dieselben zu schreiben. Es sollte eine Idee oder Betriebstheorie enthalten, ohne zu entscheiden, wie es umgesetzt werden soll.
Entschuldigung, Sie haben den Punkt verpasst, da Sie die Spezifikation nicht gelesen haben, was ich in diesem Fall tatsächlich geschrieben habe. Es ist nicht Ihr Punkt falsch - es ist, wie Sie es angehen. Es gibt einen richtigen Weg, dem man folgen muss, und was Sie hier geschrieben haben, wird niemanden ermutigen, ihn zu gehen, fürchte ich. Irgendwann werden sie in all dieses Zeug eindringen. Auf ihre eigene Art. Ich habe auch einen langen Weg hinter mir und habe in jungen Jahren für die kostengünstige Massenproduktion mittlerer Komplexität entworfen. Wir hatten nicht den Luxus der Luft- und Raumfahrt, in der ich seitdem unter anderem viele Male gearbeitet habe. Diese Gedanken weit offen zu halten, das ist die Sache, die man lehren muss.
Ja. Viele Lesebeispiele für Schaltungen und Betriebstheorie und Annahmen, die zum Lernen angegeben sind. Ich habe einen Link für Lernmodule in meinem Profil ibiblio.org/kuphaldt/socratic/model/index.html
Bastien Sie haben nie den Zweck oder den Spitzenstartlaststrom angegeben. Filament oder LED? Beide können auf DC laufen, also warum diese Frage?
Die Stromaufnahme beträgt 30mA. Das sind LEDs. Ich brauche die Rechteckwelle, weil jede andere LED-Polarität umgekehrt ist. Um also jede LED gleichzeitig zum Leuchten zu bringen, muss ich zwischen +27 V/-27 V wechseln (oder zwei +27 V/0 V in entgegengesetzter Phase, wie diese Schaltung bietet). Die Frequenz muss gerade hoch genug sein, damit das Auge das Blinzeln nicht bemerkt.
Normalerweise macht es so etwas wie 100 Hz, @Bastien. Genießen Sie Ihr Weihnachtsbaumprojekt, es sollte Spaß machen, etwas zum Laufen zu bringen.

Eine Erhöhung der Versorgungsspannung erhöht die Rate, mit der C1 und C2 über die mit ihnen verbundenen Widerstände aufgeladen werden, was dazu führt, dass die Transistoren früher einschalten und die Frequenz erhöhen. Sie sollten dies in LTSpice sehen.

Wenn beispielsweise Q2 eingeschaltet ist, befindet sich die linke Seite von C1 in der Nähe von Masse, die rechte Seite lädt über R2. Wenn C1 lange genug aufgeladen ist, dass die rechte Seite etwa 0,6 V beträgt, schaltet dies Q1 ein und leitet den nächsten Teil des Taktzyklus ein.

Nicht der richtige Grund - ja, die Laderate wird gelöscht, aber auch die erforderliche Spannungsänderung. Diese heben sich auf, was zu einer im Wesentlichen konstanten Frequenz führt.
Das hatte ich übersehen, danke für die Korrektur!
Die astabile BJT-Multivibratorfrequenz steigt mit der Spannung
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